Шаг в будущее

               
Иногда каждый из нас задумывался над тем, а как же человек жил раньше, без радио, телевидения, телефонов, компьютеров и даже электрического освещения. Трудно себе представить такую жизнь, мы настолько привыкли к технологиям нашего времени, что даже не замечаем как все это вошло в обыденность нашего существования.
 Сделав фотографию на своем смартфоне, одним кликом мы отправляем ее на другой континент за доли секунды. Включив телевизор, одним нажатием кнопки пульта, мы выбираем из тысячи каналов свою любимую передачу. А разве можно себе представить нашу жизнь без радио? Наверное, нет. Радиосвязь играет одну из самых важных и самых необходимых ролей в нашей жизни. Ведь без нее не будут работать современные телефоны, телевизоры, интернет, бесполезными окажутся и орбитальные спутники земли, через которые проходят огромные информационные потоки. Вся глобальная система связи путем радиоволн передается через спутники по всему миру.
 Везде где бы мы не находились, нас окружают радиоволны. Даже если мы находимся дома или едем в автобусе на работу, рядом обязательно кто-то разговаривает по телефону, мимо проезжаем сотовую вышку, а в доме напротив, работает wi fi. Даже в том автобусе, в котором вы едете, автоматическая система гланас непрерывно отслеживает со спутников маршрут движения вашего рейса и озвучивает каждую остановку. По пути вы зашли в магазин, расплатились банковской картой и в считанные секунды, по радио через вышки сотового оператора, спутники связи, глобальную сеть, ваша оплата за купленную колбасу приходит в банк на счет этого магазина.
Все современные технологии, которыми мы пользуемся можно перечислять очень долго, да и стоит ли это делать, наверное, нет. Мы привыкли к такой жизни, нам удобно, комфортно, мы экономим время и в прямом смысле деньги. Это двадцать первый век, скажем мы.
Да, двадцать первый век, век нано технологий, цифровой техники и связи. Это направление в прикладной науке развивается очень быстро. Что будет дальше, чем сейчас можно удивить обычного студента или школьника, когда компьютер исчерпывает свои ресурсы? Огромное количество электронной информации уже не успевает обрабатываться процессором, а ведь этого требуется все больше, а скорость обработки выше.
Электронная схема процессора или памяти сжата настолько, что составляет к примеру 22 нм. площади кристалла кремния. Это настолько малая величина, что её можно рассмотреть только в микроскоп. Скорость обработки информации зависит не только от количества pn переходов на кристалле кремния, (в современных процессорах они достигают десятки миллионов) но и от частоты с которой они переключаются. Например: на одном кристалле кремния одновременно меняют состояние уровня нуля и единицы сорок млн. Pn перехода, пять млн. раз в одну секунду! Но это ещё не все, чтобы ещё увеличить быстродействие, создают несколько кристаллов, они синхронизируются и работают параллельно, что ещё в несколько раз увеличивает скорость обработки информации. Они называются двухядерными и более.
А что же дальше? Скажете вы. Уменьшать кристалл уже некуда, иначе он просто потеряет свои свойства. Увеличивать тактовую скорость переключения и количество pn переходов, тоже не имеет смысла, так как будет большее потребление электроэнергии, потребуется отвод тепла и соответственно увеличатся габариты.
Так что же нас ожидает в будущем?
Мне кажется, здесь предсказать совсем несложно. Хотя информационное поле растёт не по дням, а по часам. Все больше и больше требуется обработка информации. Ведь даже в ближайшем будущем, ну скажем лет через десять-пятнадцать, потребуются такие серверы, которые будут занимать целые здания и конечно, эти дорогостоящие устройства будут потреблять огромное количество электроэнергии.
Требуется что-то новое, то с чего начнётся новая эра компьютеров, информационных технологий будущего.
Хочу сказать вам дорогие друзья, да такое устройство уже существует! Оно есть и уже работает в простейшей форме на стендах лабораторий. Как вы уже догадались, это квантовый компьютер.
В отличие от нашего современника, квантовый компьютер работает совершенно по иному принципу. Тот человек, который хотя бы немного знаком с квантовой физикой скажет, неужели это устройство может работать по законам квантовой механики, это же полный бред! И в чем-то он будет прав.
Действительно, сама квантовая физика отличается от классической тем, что здесь пока больше загадок, чем ответов, это касается как квантового поля, так и самой квантовой механики теории волн и частиц (квантов). Чтобы исключить занудство, касаться этого раздела физики лучше мы не будем, а перейдем к самим принципам работы квантового компьютера.
Итак. В отличие от классических битов, которые принимают значение либо 0, либо 1, квантовые системы находятся в двух состояниях одновременно и называются кубитами. Происходит явление квантовой суперпозиции и квантовой запутанности, где (квантовые биты) кубиты обрабатываются параллельно и значения информации одновременно увеличиваются в геометрической прогрессии.
Пока эти устройства сложно назвать компьютерами, у них минимальное количество операций в секунду, они громоздки, имеют сложную систему охлаждения, но это только начало, это новая эра информационных технологий будущего.
А теперь мне хочется затронуть еще одну тему. Без нее мне кажется будущее просто невозможно представить, это конечно энергетика. Сейчас не только в нашей стране, но и во многих других странах бурно развивается атомная энергетика, особенно там, где нет больших рек. Население нашей планеты увеличивается с каждым годом, а объем производства кратно прирастает, то следовательно возникает острая необходимость в потреблении электроэнергии и выход только один, строить АС. Сейчас атомные реакторы пользуются большим спросом, их ставят не только на АС, но и на больших кораблях, подводных лодках и даже разрабатывается двигатель для самолета. Это и есть энергия будущего? Такие станции будут работать через пять, десять или сто лет? Тут хочется сказать сразу, нет. Далекой перспективы этому быть не может. Запаса урановой руды на всей планете очень мало. В основном она добывается в Австралии, Казахстане, Канаде, России, Северной Америке. Чтобы получить низкообогощенный концентрат из урановой руды (ТВЭЛ) ее следует переработать. Это очень сложный процесс и он требует большой осторожности в технологии, так как тепловыделяющие элементы радиоактивны. После погружения ТВЭЛов в реактор, начинается самый ответственный процесс, это выделение тепловой энергии, собственно то, для чего и предназначен реактор. Сложность заключается в том, чтобы не перегреть реактор. Для этого туда опускают графитовые стержни замедлители ;поглотители нейтронов;. Чем глубже опускают стержни в реактор, тем меньше выделяется тепловой энергии и наоборот, когда их поднимают, энергии выделяется больше. Этот процесс поддерживается во все время эксплуатации реактора. Еще очень коротко хочу сказать, что отработанное ядерное топливо требует специальной утилизации. Конечно, в современных условиях научились повторно перерабатывать ;обогащать;и заново запускать реакторы с этим топливом, но все же основную часть приходиться хранить долгие десятилетия или столетия в специальных хранилищах, до почти полного распада. Так что же дальше, с чем мы войдем в будущее, какую энергетику будем использовать? Сейчас, наверное, об этом задумывался каждый. Мне кажется, что скоро появятся реакторы, которые будут давать тепло и вырабатывать электроэнергию не только в двадцать первом веке, но и в двадцать втором. Над этим сейчас работают ученые многих стран, в том числе и в России. Несомненно, вы догадались о чем идет речь, конечно это водород! Использовать водород как горючий газ, не целесообразно и экономически не выгодно. А вот получать энергию путем управляемого термоядерного синтеза водорода в гелий, вполне возможно;Вы только представьте, водород можно выделить из воды, воздуха и получать из этого энергию. Небольшой шарик водорода, размером с футбольный мяч, может обеспечивать электроэнергией небольшой город в течение одного года, это фантастика! Так что же это за волшебный энергетический реактор и почему его не запустят уже сегодня? Давайте разберем все по порядку. Еще со школы мы знаем, что уран является самым тяжелым элементом, а значит неустойчивым. Если бомбардировать ядра урана нейтронами, то ядро возбуждается, захватив нейтрон и делится ;при условии, что энергии нейтрона достаточно;, при этом выделяется количество энергии в виде тепла. Вот примерно и очень кратко можно объяснить получение энергии при делении тяжелого атома урана. А вот атом водорода является самым легким и простым элементом в таблице Менделеева. Его ядро состоит из одного протона, одного нейтрона и оболочки отрицательного заряженного электрона. Если разогреть водород до очень высоких температур, порядка десяти-пятнадцати млн. градусов по Цельсию, то легкие атомные ядра начнут объединяться в более тяжелые. Избыточная суммарная энергия связи нуклонов при этом освобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции. Конечный результат слияний легких ядер в более тяжелые при высоких температурах, называется термоядерным синтезом. Процесс термоядерных реакций происходит в звездах и конечно самой ближайшей к нам звезде Солнце. В самом центре звезды при огромных температурах сливаются ядра атомов водорода в более тяжелые, и мы получаем энергию в виде тепла и света. Примерно такие же процессы происходят в термоядерном реакторе. Но здесь есть две очень важных проблемы, над которыми ученые работают по сей день: как получить такую температуру, и если мы ее получим, то как ее удержать. Ведь представьте себе, чтобы расплавить к примеру сталь, нам потребуется разогреть ее до 1200 градусов по Цельсию, а термоядерные реакции начинаются свыше 10 млн. градусов по Цельсию! При таких температурах любое вещество мгновенно превращается в газ. В лабораторных условиях ученым все же удается на короткое время удержать такую плазму. На доли секунды в полном вакууме и сильном магнитном поле, наблюдаются термоядерные реакции. Но это энергия будущего и еще много предстоит сделать в этом направлении.
 Ну а теперь я расскажу еще об одном направлении в науке, где в будущем человечество может получать энергию. Сейчас ученые стоят только у истоков этого загадочного явления и пока тут больше вопросов, чем ответов. Речь идет об антиматерии, в природе она существует, но этого вещества очень мало. Очень малым количеством ее удается получить в лабораторных условиях в ускорителях частиц. Когда разгоняют протоны до огромных скоростей, почти до около скорости света, а затем их сталкивают, то при этом выделяется большое количество кинетической энергии, некоторые частицы уничтожаются и появляются новые, в том числе и античастицы из которых и состоит антиматерия. А что же это такое, загадочная антиматерия? Давайте представим атом самого простого элемента водорода. Мы знаем, что атом водорода состоит из положительно заряженного ядра ;протона и нейтрона;и его оболочки отрицательно заряженного электрона, а в целом атом нейтрален. А теперь представим античастицу атома водорода, так же он имеет ядро, но уже с антипротоном ;отрицательно заряженным протоном;, нейтрон и внешнюю оболочку позитрон;электрон имеющий положительный заряд;. Можно сказать просто: античастица имеет противоположный заряд относительно частицы. Если частица и античастицы соприкоснуться между собой, то мгновенно аннигилируют друг с другом и самоуничтожатся. При этом выделится полная энергия E ;MC2. По принципу соединения материи и антиматерии, выделяя чистую энергию будет работать реактор будущего!